基于MSP430的沼气池温度控制系统设计

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摘 要： 以超低功耗单片机msp430F449作为核心，设计了一套农业循环园区沼气池温度控制系统。采用DS18B20采集沼气池温度，并通过PID控制方式实现对沼气池温度的闭环控制。系统可以通过ZigBee网络与远端上位机通信，实现温度数据的实时上传。仿真数据表明系统具备一定的温度控制精度，可以实现对沼气池温度的控制。

关键词： 沼气池温度; 发酵温度; MSP430; PID; ZigBee

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）06?0083?03

Design of MSP430?based temperature control system for biogas pool

ZHANG Yang， ZHANG Ya， JIN Kun

（Electricity Information Engineering Institute， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232000， China）

Abstract： A temperature control system for biogas pool in agricultural circulation park was designed by taking the ultra?low power MCU MSP430F449 as its core. DS18B20 is used to collect temperature of the biogas pool. The closed?loop control of the biogas pool temperature is controlled by PID. The real?time temperature data upload is realized by remote host computer through ZigBee network. The simulation experimental results show that the system has a certain temperature control precision， and can achieve the temperature control of the biogas pool.

Keywords： biogas pool; fermentation temperature; MSP430; PID; ZigBee

0 引 言

循环农业是在农业生产中运用了循环经济的理念，通过减少资源、物质的投入量，减少废弃物的产生排放量，从而实现农业经济和生态环境“双赢”。以农业废弃物（养殖、种植和加工）和生活垃圾为原料，产出沼气以提供生活和生产用能，沼渣和沼液可用于农业生产，实现种植、养殖和加工的良性循环，减少环境污染。温度是影响沼气发酵速度的关键，沼气发酵温度的突然变化，对产气量都会有明显的影响，温度变化过大，则产气几乎停止。发酵温度通常划分为3个范围：46～60 ℃称为高温发酵，28～38 ℃称为中温发酵，0～26 ℃称为常温发酵。当发酵温度在8 ℃以下时，仅能产生微量的沼气。所以一天之中对沼气池的温度合理调控将使沼气池的产气量明显提高。

本文介绍一种以MSP430为核心的温度控制系统对沼气池的温度进行控制，在实际应用中具有灵敏度高，反应速度快的特点。

1 系统整体设计

系统结构框图如图1所示。系统以MSP430单片机为核心，通过DS18B20采集温度参数，送入FLASH进行存储;12864作为显示输出模块;当沼气池温度低于设定温度范围，对沼气池温度进行PID控制;远端上位机通过ZigBee网络将服务器指令发送给控制终端的MSP430处理器，MSP430对服务器指令进行解析和执行，并通过ZigBee网络将实时温度数据上传至远端上位机。

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图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

系统硬件电路由微处理器、温度传感器模块、液晶显示模块、按键模块、通信模块、可控加热模块等组成。微处理器采用的是MSP430系列单片机MSP430F449，具有超低功耗、功能强大的特点。MSP430F449内部配置有3个捕获/比较寄存器的16位定时器，12位A/D转换器带有内部参考源，16位精简指令结构，2个串行通信接口（USART），以及160段LCD驱动器，可编程电压检测器，FLASH存储器多达60 KB+256 B，RAM多达2 KB等。整体而言MSP430F449性能稳定，频率较高，是上佳选择。

2.1 温度传感器模块

系统采用数字温度传感器DS18B20，电压范围为3.0～5.5 V ，无需备用电源 测量温度范围为-55～125 ℃。

-10～85 ℃范围内精度为±0.5 ℃。温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位数字格式最大值为750 ms，满足测量要求。DS18B20与MSP430F449的接口电路如图2所示。根据温度测量的需要，在沼气池的三个位置安装了DS18B20，对这三点温度进行测量，通过对三点温度取平均值求得沼气池的温度。

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图2 DS18B20与MSP430连接电路图

2.2 按键模块

本系统拥有4个按键，其中包括，界面切换，设定，增，减等4个功能键，通过界面切换可以显示当前时间和最近一次测量温度或一天内的温度变化曲线。通过设定键可以修改当前时间，发酵模式和温度控制范围，增减用于设定时间参数及温度参数。键盘与MSP430F449的接口电路如图3所示。

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图3 键盘接口电路

2.3 液晶显示模块

12864是一款低功耗的点阵图形式LCD，显示格式为128（列）×64（行），工作电压为（±5.0±0.5） V。VSS为模块电源地、VDD为模块电源正端、V0为LCD驱动电压输入端、RS为并行的指令/数据选择信号、R/W为并行的读写选择信号口、E并行的使能信号、DB0～DB7为数据总线，CS1，CS2为片选信号脚、RST为复位信号、Vee为10 V输出端。BL-，BL+分别为背光源正极和负极。12864与MSP430F449的接口电路如图4所示。<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼31t4.tif>

图4 12864模块接口电路

2.4 通信模块

通信芯片采用的是ZigBee 兼容芯片CC2420，它是一款符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。CC2420包括一个数字的DSSS基带Modem，可以提供9 dB的扩频增益和250 Kb/s的有效数据率。通过CC2420可将沼气池温度定时上传主机，主机可根据未来的温度变化情况设置发酵方式，CC2420与MSP430的接口如图5所示。

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图5 CC2420接口电路

2.5 可控加热模块

可控加热模块采用的是双向可控硅加热系统，如图6所示。光伏发电系统给整个循环园区提供一定的电能，同时将多余电能储存在蓄电池内，供沼气池加热使用。由蓄电池供电经过DC?DC后电压升至380 V，逆变后转换为380 V交流电，输出至双向控硅电路A，B端，图中R采用阻值大小为70 Ω的电阻丝，加热器最高功率可达到2 000 W。双向可控硅采用移相触发方式，MSP430根据获取的温度信号，输出控制信号至光耦触发电路，通过光耦触发电路控制双向控硅的导通角。

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图6 双向可控硅加热系统

3 系统软件设计

IAR的Embedded Workbench为开发MSP430目标处理器项目提供了强有力的开发环境，为每一种目标处理器提供工具选择。系统主程序流程图如图7所示。系统上电后，各模块复位和初始化;如有键按下，对按键进行处理; DS18B20采集沼气池温度，MSP430读取温度参数;将温度参数送至12864显示;同时将温度参数上传至远端上位机。根据PID算法输出相应的控制量，通过光耦触发电路，改变双向控硅的导通角，对加热量进行控制。MSP430再次读取温度参数，重复以上步骤。

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图7 主程序流程图

在软件设计上充分利用MSP430的低功耗特点，保证仪器具有较长的使用寿命和测量持久性，在进行温度采集时， 系统从活动模式转换为LPM0 工作模式， CPU 进入休眠状态。在不进行温度采集时， 系统进入LPM3工作模式。当任务发生时， 通过中断唤醒CPU， 处理完后再进入低功耗模式。

4 控制算法

本温控系统采用的数字 PID 算法由软件实现，假设采样周期为T第n次采样的输入误差en，en为所选发酵模式温度上下限同实际温度误差的平均值。可得出：

[Un=KPen+1TI i=0nT+TDen-en-1TΔUn=Un-Un-1=P+I+D]

式中：[P=KPen-en-1;I=KITTIen=KIen;D=KDTDT・][en-2en-1+en-2=KDen-2en-1+en-2]。计算[ΔUn]只需保留当前时刻[en]以及以前的两个偏差[en-1]和[en-2]，初时值[en-1=en-2=0]，根据参数P，I，D以及[en-1，en-2]计算[ΔUn]，控制输出量[Un=Un-1+ΔUn=Un-1+][P+I+D]。

控制量[Un]通过查表法找到对应的输出量，从而改变控硅的导通角，改变输出电流波形的面积，根据冲量等效理论（冲量相等二形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同），控制输出热量。

当|en|<M时，用PID控制。偏差小，说明系统温度已经接近设定值，此时加入了积分作用，可以消除系统静差，保证系统的控制精度。当|en|≥M时，用PD控制。偏差大，说明系统温度远离设定值，应快速降温，采用PD控制，可以提高系统的动态响应速度，避免产生过大的超调，减小动态误差。

通过Matlab的Simulink软件包对加热系统的工作情况进行仿真，通过示波器可以观察加负载端的电流及电压波形变化，通过改变控硅导通角，控制输出电流及电压波形。图8为加热系统仿真图。

输入电压设为380 V，50 Hz，电阻值为70 Ω，通过改变PWM的导通角，控制输出电压和电流波形面积，根据式（1），式（2）求得电压，电流波形的面积，当0≤y≤π时，通过改变y取值可以改变输出功率，当y=0时，输出功率为2 062.86 W;当y=30°时，输出功率为1 795.75 W;当y=60°时，输出功率为1 160.358 75 W。通过仿真可以看出通过调节控硅导通角对加热温度的控制是精确的，满足实验要求。

[SD=380yπsin xdx] （1）

[SE=5.429yπsin xdx] （2）

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图8 双向控规加热系统Simulink仿真图

5 结 语

本系统针对冬季沼气池温度过低导致产气效率低下的问题，对沼气池的温度进行实时监控。根据沼气发酵温控系统的非线性、强耦合、结构参数变化范围较大的特点，采用多发酵模式选择的PID温度控制方式对沼气池温度精确控制。系统同时可以对沼气工作进行远程监控，具有一定的实用性。

参考文献

[1] 蒋辉平.数字PID温度自动控制系统的应用[J].湖南科技学院学报，2005，26（11）：71?72.

[2] 杨鸣，毛婕，冯文利.51单片机发展[J].现代电子技术，2007，30（4）：90?92.

[3] 黄晓兵，王立琦.串行 LED 显示驱动器 MAX7219[J].电测与仪表，2000（12）：50?52.

[4] 陶永华.新型 PID 控制及其应用[J].工业仪表与自动化装置，1997（9）：60?64.

[5] 张波.Fuzzy?PID 复合控制[J].自动化与仪器仪表，2001，25（2）：21?23.

[6] 诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[7] 王蕊，苗宝增.啤酒发酵过程 P?Fuzzy?PI 结合 Smith 预估补偿控制[J].啤酒科技，2007（6）：65?67.

[8] 陆清忠，邓功成，赵洪，等.农村沼气池接种低温驯化沼气发酵微生物试验[J].现代农业科技，2009（5）：268?269.

[9] 白洁瑞，李轶冰，郭欧燕，等.不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维素酶对沼气产量的影响[J].农业工程学报，2009（2）：188?193.